太阳能热水器辅助加热方案分析

武婷婷　马茸　郏玲玲　张琦

摘要：作为新能源，太阳能具有普遍、环保、长久等优点，我国的太阳能资源很丰富，具有良好的太阳能利用条件。目前太阳能使用最多的是在供热和光伏发电两方面，由于受地区、季节、天气、时间等方面的影响，太阳能不是很稳定，为保证热水供应温度的稳定，太阳能热水系统必须配备辅助热源。目前出现电辅助加热、热泵辅助加热、燃气辅助加热等辅助加热方式。

关键词：太阳能；热水器；辅助加热

1.电加热

电加热作为辅助热源，一般多用于集热器与热水箱为一体的太阳能热水器。由于电加热比较方便，故电加热常被选用作为一种辅助加热方法。目前绝大部分厂家采用的方法是在太阳能热水器的水箱里安装电加热管。原理图如图：

优缺点分析：优点就是方便，且成本较低，不需要复杂的技术问题，但越简单越凸显其缺点存在。①首先是电加热的能耗比低，且作为二次能源，不节能。②封闭式热水器、出口敞开式热水器、水箱式热水器、水槽供水式热水器、低压式热水器等这几种热水器的电辅助加热结构缺少对水位的控制，在正常使用中经常会出现储水箱内水位低于电热管平面，使电热管出现干烧现象。③太阳能热水器中的电辅助装置内一般装有的热熔断体

图-1电加热原理图 或非自复位的热断路器温度在140℃一190℃之间。在太阳能热水器出现空晒的情况下，其储水箱中空气温度常常能达到200℃一300℃。因此，其内的热保护装置在空晒的热冲击下断开，使电辅助加热装置失灵而不能使用。④目前市场上太阳能热水器辅助电加热器的控制系统几乎都不具有温度控制功能，有些热水器即使有此功能，也由于控制精度不高，存在过烧现象而严重浪费电能。由此可见电辅助加热存在较大的安全隐患。

2.热泵加热

热泵技术是利用少量高品位的电能作为驱动能源，从低温热源吸收低品位热能，并将其传输给高温热源，以达到制热的目的。通常是以消耗一部分电能为补偿，通过热力循环，将环境介质水、地热源、空气等贮存的能量（热量）加以利用。热泵辅助加热包括地源热泵加热、空气源热泵、水源热泵等。特殊的应用场所，如军事设施、野外作业、船舶等电力相对紧张，采用常规电动热泵作为系统的辅助热源不可行或不经济.因此需将目前研究较广的内燃发动机驱动的热泵系统作为其辅助热源。其中空气源热泵以其具安装简单方便，运行可靠性高，节省占地面积等优点而应用广泛。下以空气源热泵加热为例分析。

原理图如图：

当热水箱1中上部的水温高于50度时，V2开启，V1、V3关闭，太阳能热水子系统直接向用户供生活热水，空气源热泵辅助加热太阳能热水系统以常规的太阳能热水器模式运行。当热水箱1中上部的水温低于45度时，V2关闭，V1、V3开启，太阳能热水子系统产生的低温热水进入热水箱2，由空气源热泵机组进一步加热。优缺点分析：①不仅节能、减排明显，具有最好的环境效益，其经济性也较好，减少氮氧化物等有害气体的排放。②空气源热泵机组运行的自动化调控比较简单，且安全可靠，其使用寿命可达10年以上，与太阳能热水系统的使用寿命能很好地理匹配。但是由于系统的制冷量随着室外温度的下降而迅速下降，而需热量却随着室外温度的下降而迅速上升，当外界温度较低时，系统经济性会变得很差。与电热水器相比，热泵热水器可节约大量高品位电能，但每天仍需消耗一定量的電能。

3.燃气、油辅助加热

燃气燃油辅助加热是最早投入使用的辅助加热方式。原理图如图：

在太阳能足够的情况下，自来水由太阳能热水器加热，经阀1、阀3流向水流开关进入混合阀；当阳光不足，太阳能不足以提供足够热量是，太阳能热水器储热水箱内的水经阀1、阀2，进入燃油燃气热水器，由其进行二次加热，当达到足够温度时，经阀1流向水流开关使用。优缺点分析：①燃油、气是一次能源，利用率高，运行操作简单，调节容易，易于实现自动控制，且结构紧凑。②燃油燃气加热不仅要考虑二氧化碳、一氧化碳、硫化气体等其他污染物的排放，而且还要考虑油、气的储备等问题。③另外，燃气热水器需要较高的启动水压，这对于高层用户来说使用起来较为困难，且燃气热水器使用寿命较短。基于节能环保和经济效益的考虑，燃油、气辅助加热没有得到广泛应用。

4.综合分析

辅助热源的选择应综合考虑各种因素，包括经济性、环保性、工作稳定性等。从经济性及环保性出发，空气源热泵都是最优选择，功耗小，且利用清洁资源，电加热是二次能源利用，效率不高且功耗大，燃油、气加热不仅排出大量有害气体，而且消耗大量优质资源。但从工作稳定性来讲，空气源热泵易受环境影响，而其他两种则工作稳定。不同地区，对4种常见辅助热源选择应根据当地气候、环境条件、能源价格等因素，进行经济技术比较后，综合考虑确定。

作者简介：

武婷婷（1995—）女，汉族，河南濮阳市人，学生，本科在校生，单位：郑州大学机械工程学院机械工程及自动化，研究方向：机械工程及自动化。

马茸（1994.12.30-），女，汉族，云南省曲靖市人，学生，本科在校生，单位：郑州大学机械工程学院机械工程及自动化，研究方向：机械工程及自动化。

郏玲玲（1993-）女，汉族，河南驻马店市人，学生，本科在校生，单位：郑州大学机械工程学院机械工程及自动化，研究方向：机械工程及自动化。

张琦（1993-），女，汉族，黑龙江双鸭山市人，学生，本科在校学生，单位：郑州大学机械工程学院机械工程及自动化，研究方向：机械工程及自动化。